(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる材料により形成された第１の回折格子と第２の回折格子とが、各々の格子面が互いに接するように積層された回折格子部を有する回折光学素子であって、
前記第１の回折格子を構成する第１の格子形成材料には３種類以上の材料が混合されており、
前記第１の格子形成材料のｄ線における屈折率、アッベ数、部分分散比を各々ｎｄ１、νｄ１、θｇＦ１とし、前記第２の回折格子を構成する第２の格子形成材料のｄ線における屈折率、アッベ数を各々ｎｄ２、νｄ２とするとき、
ｎｄ１＜ｎｄ２
νｄ１＜νｄ２
θｇＦ１＜（−１．６６５×１０-7×νｄ１3＋５．２１３×１０-5×νｄ１2−５．６５６×１０-3×νｄ１＋０．７１５）
θｇＦ１＞（４．８０×１０-3×νｄ１＋０．３３）
θｇＦ１＞（−４．７３×１０-2×νｄ１＋１．３１）
なる条件を満足することを特徴とする回折光学素子。
【請求項２】
前記第１の格子形成材料のアッベ数は３０以下であることを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項３】
前記第１の格子形成材料はＩＴＯ微粒子を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の回折光学素子。
【請求項４】
前記第１の格子形成材料における前記ＩＴＯ微粒子の体積比率は３％以上１５％以下であることを特徴とする請求項３に記載の回折光学素子。
【請求項５】
前記第１の格子形成材料は２種類以上の異なる微粒子を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項６】
前記第１の格子形成材料は無機酸化物で構成される微粒子を含むことを特徴とする請求項５に記載の回折光学素子。
【請求項７】
前記第１の格子形成材料はＴｉＯ2微粒子を含むことを特徴とする請求項６に記載の回折光学素子。
【請求項８】
前記第１の格子形成材料における微粒子材料の合計体積比率は３％以上２５％以下であることを特徴とする請求項３乃至７のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項９】
前記第１の格子形成材料は２種類以上の異なる樹脂を混合した樹脂を含むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１０】
前記第２の格子形成材料の部分分散比をθｇＦ２とするとき、
（−１．６６５×１０-7×νｄ２3＋５．２１３×１０-5×νｄ２2−５．６５６×１０-3×νｄ２＋０．７１５）＜θｇＦ２＜（−１．６６５×１０-7×νｄ２3＋５．２１３×１０-5×νｄ２2−５．６５６×１０-3×νｄ２＋０．７６５）
なる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１１】
前記第２の格子形成材料における微粒子材料の合計体積比率は２５％以下であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１２】
前記第１及び第２の格子形成材料の波長λにおける屈折率を各々ｎ１（λ）、ｎ２（λ）とし、前記第１及び第２の回折格子の格子部の格子高さをｄ、回折次数をｍ、とするとき、
０．９４５≦（ｎ２（λ）−ｎ１（λ））ｄ／ｍλ≦１．０５５
なる条件を満足する請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１３】
前記第１及び第２の回折格子の格子部の平均高さが１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１４】
前記第１の回折格子の格子ベース部の厚さは１μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１５】
前記第１の回折格子の格子部の平均高さは１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の回折光学素子を有することを特徴とする光学系。
【請求項１７】
請求項１６に記載の光学系を有することを特徴とする光学機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折光学素子、光学系及び光学機器に関し、例えばビデオカメラ、デジタルカメラ、ＴＶカメラ、望遠鏡、双眼鏡等の光学機器に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、硝材の組み合わせによりレンズ系（光学系）の色収差を減じる方法に対して、レンズや平板の表面の一部に回折作用を有する回折格子部（回折光学部）を設けた回折光学素子を用いる方法が知られている。
【０００３】
この回折光学素子を用いて色収差を軽減する方法は、光学系中の屈折面と回折面とでは、ある基準波長の光線に対する色収差が逆方向に発現するという物理現象を利用している。また、回折格子部は、その回折格子の周期的構造の周期を適宜変化させることで非球面レンズ的な効果を持たせることができる。このため、色収差以外の諸収差の低減にも効果がある。一般的に回折格子は格子面と格子側面から構成されるブレーズ構造より成っている。このようなブレーズ構造の回折格子は特定の一つの次数（以下、「特定次数」又は「設計次数」とも言う）の回折光と特定の波長に対して高い効率で光を回折することができる。
【０００４】
この特定次数の回折効率を可視波長帯域全域で十分高く得るための回折格子部の構成が知られている。具体的には、２つの回折格子を密着配置すると共に、各回折格子を構成する材料に低屈折率高分散材料と高屈折率低分散材料を用いている。そして回折格子の高さを適切に設定することで、所望の次数の回折光に対し、広い波長帯域で高い回折効率を実現している。以下、このような回折格子部を「密着２層ＤＯＥ」という。ここで「ＤＯＥ」とは「Diffractive Optical Element」の略である。また、複数の回折格子を積層配置すると共に、各回折格子を構成する材料や各回折格子の高さを適切に設定することで、所望の次数の回折光に対し、広い波長帯域で高い回折効率を実現している。以下、このような回折格子部を「積層ＤＯＥ」という。なお、回折効率は全透過光束の光量に対する各次数の回折光の光量の割合で表される。
【０００５】
特許文献１、２に開示されている回折光学素子は、可視波長域全域で９９％以上の高い回折効率を得るために、部分分散比θｇＦが通常の材料より小さな値（リニア分散性）を有する材料を用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−７８１６６号公報
【特許文献２】特開２００８−２４１７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
高い回折効率が得られる、回折格子を構成する好適な材料のうち、リニア分散性を有する材料としてＩＴＯ（Indium-Tin Oxide）微粒子を樹脂に分散した材料が知られている。
【０００８】
ＩＴＯは他の無機酸化物と異なり、電子遷移による屈折率の変化に加え、錫のドーピングや酸素の空孔によりフリーキャリアが発生し屈折率が変化する。この電子遷移とフリーキャリアの存在により非常に強いリニア分散特性を有する。一方、ＩＴＯは透明電極に使用されるなど、透過率が比較的高い材料として知られている。しかしながら、それ以上の高い透過率を要求される光学系にＩＴＯを用いる場合には十分とはいえない。このＩＴＯの透過率の低下は錫のドーピングに起因しており、リニア分散特性を有しかつ透過率が極めて高い材料を得ることは極めて困難である。
【０００９】
高い回折効率を得ようと回折格子の材料にＩＴＯ微粒子を多く用いると回折格子部の透過率が低くなり、回折光学素子を光学系に用いるのが難しくなる。逆に光学系に用いたときの透過率を高くするために回折格子の材料に含まれるＩＴＯ微粒子の混合比率を下げると、高い回折効率を得るのが難しくなる。更に低い格子厚で格子部を実現することが困難になる。このため回折光学素子を光学系に用いるときには、回折格子の材料に含まれるＩＴＯ微粒子の含有率をなるべく少なくし、また回折格子を形成する格子部の格子厚（格子高さ）が薄く（低く）なるように構成することが重要になってくる。
【００１０】
本発明は、高い回折効率と高い透過率が容易に得られ、しかも回折格子の格子部の格子厚を薄くすることができる回折光学素子、光学系及び光学機器の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る回折光学素子は、互いに異なる材料により形成された第１の回折格子と第２の回折格子とが、各々の格子面が互いに接するように積層された回折格子部を有する回折光学素子であって、前記第１の回折格子を構成する第１の格子形成材料には３種類以上の材料が混合されており、前記第１の格子形成材料のｄ線における屈折率、アッベ数、部分分散比を各々ｎｄ１、νｄ１、θｇＦ１とし、前記第２の回折格子を構成する第２の格子形成材料のｄ線における屈折率、アッベ数を各々ｎｄ２、νｄ２とするとき、
ｎｄ１＜ｎｄ２
νｄ１＜νｄ２
θｇＦ１＜（−１．６６５×１０-7×νｄ１3＋５．２１３×１０-5×νｄ１2−５．６５６×１０-3×νｄ１＋０．７１５）
θｇＦ１＞（４．８０×１０-3×νｄ１＋０．３３）
θｇＦ１＞（−４．７３×１０-2×νｄ１＋１．３１）
なる条件を満足することを特徴としている。
また、本発明に係る光学系は、上記回折光学素子を有することを特徴とする。
また、本発明に係る光学機器は、上記光学系を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高い回折効率と高い透過率が容易に得られ、しかも回折格子の格子部の格子厚を薄くすることができる回折光学素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の回折光学素子の要部概略図
【図２】図１の回折光学素子の素子構造の模式図
【図３】実施例１の回折光学部の回折効率と内部透過率のグラフ
【図４】実施例１〜５の回折光学部を構成する低屈折率高分散材料の屈折率特性（νｄ−θｇＦ特性）を示す図
【図５】実施例２の回折光学部の回折効率と内部透過率のグラフ
【図６】実施例３の回折光学部の回折効率と内部透過率のグラフ
【図７】実施例４の回折光学部の回折効率と内部透過率のグラフ
【図８】実施例5の回折光学部の回折効率と内部透過率のグラフ
【図９】実施例６の回折光学部の回折効率と内部透過率のグラフ
【図１０】実施例７の撮影光学系
【図１１】実施例８の観察光学系
【図１２】比較例１の回折光学部の回折効率と内部透過率のグラフ
【図１３】比較例２の回折光学部の回折効率と内部透過率のグラフ
【図１４】比較例３の回折光学部の回折効率と内部透過率のグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の回折光学素子は、互いに異なる材料により形成された第１の回折格子と第２の回折格子が各々の格子面が接するように積層された回折格子部を有している。そして第１の回折格子を構成する第１の格子形成材料には３種類以上の材料が混合されている。そして、第１の格子形成材料のｄ線における屈折率、アッベ数、部分分散比を各々ｎｄ１、νｄ１、θｇＦ１とし、第２の回折格子を構成する第２の格子形成材料のｄ線における屈折率、アッベ数を各々ｎｄ２、νｄ２とする。このときこれらの各パラメータが所定の条件式を満足するように設定している。
【００１６】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の回折光学素子の正面図及び側面図である。回折光学素子１０は平板又はレンズより成る基板（光学基板）２０、３０の光学面の間に回折格子部（回折光学部）１を設けて形成されている。そして本実施例では、回折格子部１が形成されている基板２０、３０の面は、曲面となっている。回折格子部１は光軸Ｏを中心とした同心円状の回折格子形状からなり、レンズ作用を有している。
【００１７】
図２は図１の回折光学素子１０の回折格子部１を図中Ａ−Ａ′断面で切断した断面形状の一部である。図２は、格子部２ｂ、３ｂの格子形状を分かりやすくするために、格子高さ（深さ）方向にかなりデフォルメされた図となっている。図１、図２において、回折光学素子１０の回折格子部１は、第１の回折格子２と第２の回折格子３の格子面２ｄ、３ｄとが密着した構成となっている。２ａは第１の回折格子２を形成する格子ベース部、３ａは第２の回折格子３を形成する格子ベース部、２ｂは第１の回折格子２を形成する各格子部、３ｂは第２の回折格子３を形成する格子部である。格子部２ｂ，３ｂは所定の格子ピッチで配置されている。第１、第２の回折格子２，３は同心円状のブレーズ構造の格子形状からなり、格子部２ｂ，３ｂの格子ピッチを中心（光軸）から周辺へ向かって徐々に変化させることでレンズ作用（収斂作用又は発散作用）を得ている。
【００１８】
そして、第１、第２の回折格子２，３は、全層を通して一つの回折格子部として作用している。また、ブレーズ構造にすることで、回折光学素子１０に入射した入射光は、回折格子部１で回折せずに透過する０次回折方向に対し、特定の回折次数（図では＋１次）方向に集中して回折する。
【００１９】
また、本発明の回折光学素子１の使用波長領域は可視域（波長４３０ｎｍ〜波長６７０ｎｍ）である。このため、可視領域全体で設計次数の回折光の回折効率が高くなるように、第１の回折格子２及び第２の回折格子３を構成する材料及び格子高さを選択している。すなわち、複数の回折格子（回折格子２，３）を通過する光の最大光路長差（格子部２ｂ、３ｂの山と谷の光学光路長差の最大値）が使用波長域内で、その波長の整数倍又はその付近となるよう、各回折格子の材料及び格子高さが定められている。
【００２０】
このように回折格子の材料、格子形状を適切に設定することによって、使用波長全域で高い回折効率を得ている。なお、一般的に、回折格子の格子部の格子高さは、格子周期方向に垂直な方向（面法線方向）の格子先端と格子溝の高さで定義される。また、格子壁面２ｃ（３ｃ）が面法線方向からシフトしているときや格子先端が変形しているとき等の場合は、格子面２ｄ（３ｄ）の延長線と面法線との交点との距離で定義される。
【００２１】
次に、回折格子部１の回折効率について説明する。２つの回折格子を密着した密着２層ＤＯＥにおいて、波長λで、ある次数の回折光の回折効率が最大となる条件は、次のとおりである。即ち格子部の山と谷の光学光路長差（つまり山の頂点と谷底のそれぞれを通過する光線間の光路長の差）を全回折格子に亘って加え合わせたものが波長の整数倍になるように決定することである。従って、図１、図２に示した本実施例の回折光学素子１０において、回折格子２、３のベース面（格子ベース部２ａ、３ａ）に対する垂直入射、波長λで、回折次数ｍの回折光の回折効率が最大となる条件式は
±(ｎ０１−ｎ０２)ｄ＝ｍλ                     （ａ１）
となる。（ａ１）式で、ｎ０１は第１の回折格子２を形成する第１の格子形成材料の波長λでの屈折率、ｎ０２は第２の回折格子３を形成する第２の格子形成材料の波長λでの屈折率である。ｄは第１の回折格子２および第２の回折格子３の格子部２ｂ、３ｂの格子高さ（格子厚）、ｍは回折次数である。
【００２２】
ここで、図２中の０次回折光から下向きに回折する光線を正の回折次数、図２中の０次回折光から上向きの方向に回折する光線を負の回折次数とする。（ａ１）式での格子高さの加減の符号は、第１、第２の回折格子２、３を形成する第１、第２の格子形成材料の屈折率ｎ０１、ｎ０２の大小関係がｎ０１＜ｎ０２である。このとき、図中下から上に回折格子2の格子高さが増加する（回折格子３の格子高さが減少する）格子形状の場合、負となる。逆にｎ０１＞ｎ０２であって、図中下から上に回折格子2の格子高さが減少する（回折格子３の格子高さが増加する）格子形状の場合が正となる。つまり図２の構成であって屈折率ｎ０１、ｎ０２の大小関係がｎ０１＜ｎ０２の場合、(１)式は、
(ｎ０２−ｎ０１)ｄ＝ｍλ                       （ａ２）
と書き換えられる。
【００２３】
図２の構成において、波長λでの回折効率η(λ)は、
η(λ)=sinc2〔π{m−(ｎ０２−ｎ０１)ｄ／λ}〕＝sinc2〔π{m−φ／λ}〕（ａ３）
で表わすことができる。（ａ３）式中のφは、
φ=(ｎ０２−ｎ０１)ｄ                          （ａ４）
であり、ｄは格子部２ｂ，３ｂの格子高さである。
【００２４】
密着２層ＤＯＥにおいて広い波長帯域で高い回折効率を得るためには第１の回折格子２を形成する第１の格子形成材料に低屈折率高分散、第２の回折格子３を形成する第２の格子形成材料に高屈折率低分散材料を用いることで実現することができる。さらに、可視域全域で９９％以上の回折効率を得るためには低屈折率高分散材料に部分分散比θｇＦが通常の材料より小さいリニア分散特性を有する材料を用いることが知られている。このリニア分散特性を得るために、ＩＴＯ微粒子を微粒子分散させてベース樹脂材料に混ぜる方法が知られている。
【００２５】
ＩＴＯは他の無機酸化物と異なり、電子遷移による屈折率の変化に加え、錫によるドーピングや酸素の空孔によりフリーキャリアが発生し屈折率が変化する。この電子遷移とフリーキャリアの影響により非常に強いリニア分散特性を有する。従って、ＩＴＯと同様にフリーキャリアの影響があるＳｎＯ2及びＡＴＯ（アンチモンをドーピングしたＳｎＯ2）等も使用する事ができる。一方、ＩＴＯは透明電極に使用されるなど、透過率が高い材料として知られているが、高い透過率を要求される光学系に適用する場合には問題となる。このＩＴＯの透過率の低下は錫のドープが影響しており、強いリニア分散特性を有した材料でかつ透明な材料を得ることは難しい。
【００２６】
このＩＴＯ微粒子を分散させた材料を用いて透過率を高めようした場合、ＩＴＯ微粒子の混合比率を下げることが挙げられる。しかしながら、ＩＴＯ微粒子は高屈折率高分散材料のため、混合比率を下げると第１の回折格子２の第１の格子形成材料が低分散化する。これに伴って可視波長帯域全域で高い回折効率を得るために、第２の回折格子３の第２の格子形成材料を選択すると、格子厚を上げざるを得なくなる。この結果、透過率が低下することと、回折効率の角度特性が劣化するため、好ましい構成ではなくなる。
【００２７】
本発明に係る回折格子部では、高い回折効率と高い透過率と低い格子厚を実現するために、第１の回折格子２に低屈折率高分散材料としてリニア分散特性を有する材料を含む３種類以上の材料で構成される弱リニア分散特性を有する材料を用いている。以下に、本発明の各実施例の回折格子部を説明する。
【００２８】
［実施例１］
本発明の実施例１の回折光学素子の具体的な構成を説明する。本実施例では、第１の回折格子２を形成する第１の格子形成材料２ａに２種類の微粒子を樹脂に分散させた微粒子分散樹脂、第２の回折格子３を形成する第２の格子形成材料３ａに１種類の微粒子を樹脂に分散させた微粒子分散樹脂を用いている。第１の格子形成材料には３種類以上の材料が混合されている。より具体的には第１の格子形成材料における第１の材料はＩＴＯ微粒子（ｎｄ＝１．８２８９、νｄ＝７．４７、θｇＦ＝０．３６０）である。第２の材料はＴｉＯ2微粒子（ｎｄ＝２．１６３、νｄ＝２０．０、θｇＦ＝０．６８０）である。第３の材料はフッ素アクリル系紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．４０３０、νｄ＝６０．６、θｇＦ＝０．５５３）である。
【００２９】
第３の材料に第１の材料が６ｖｏｌ％、第２の材料が１３ｖｏｌ％混合している。第１の格子形成材料は、これら３種類の材料が混合された微粒子分散材料（ｎｄ１＝１．５７０４、νｄ１＝２４．４、θｇＦ１＝０．５５２）である。第２の回折格子３の材料は高い回折効率が得られるように選択され、アクリル系紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．５２４１、νｄ＝５１．６、θｇＦ＝０．５６３）を用いている。この樹脂にＺｒＯ2微粒子（ｎｄ＝１．９１０、νｄ＝４５．１、θｇＦ＝０．６１２）を２２ｖｏｌ％分散させた微粒子分散材料（ｎｄ２＝１．６１６９、νｄ２＝４８．５、θｇＦ２＝０．５８３）である。格子厚は第１の回折格子２、第２の回折格子３ともに１２．７２μｍで格子面が密着された密着２層ＤＯＥで、設計次数は＋１次である。なお、部分分散比θｇＦはｇ線、Ｆ線、Ｃ線の屈折率を順にｎｇ、ｎＦ、ｎＣとするとき、次の式で定義される。
【００３０】
θｇＦ=（ｎｇ−ｎＦ）／（ｎＦ−ｎＣ）
また、分散材料は一般的に知られているＢｒｕｇｇｅｍａｎの有効屈折率理論を用いている。
【００３１】
図３（ａ）にこの回折格子部の設計次数（＋１次）での回折効率および０次と＋２次の回折効率の特性を示す。図３（ａ）のグラフにおいて、設計次数である＋１次光の回折効率は左軸に示す数値、０次光および＋２次光の回折効率は右軸に示す数値である。入射角度は格子ベース面（格子ベース部）に対して垂直の場合である。設計次数の回折効率は可視域（波長４３０ｎｍ〜６７０ｎｍ）で９９．６％以上得られており、不要次数のフレア光も可視域で０．２％以下となっている。また、設計次数の不要次数光の回折効率については０次と＋２次の回折光についてのみ対象にしているが、これは設計次数から離れた次数ほど、回折効率が急激に下がるためである。また、可視波長帯域として知られている波長４００ｎｍ〜波長７００ｎｍの帯域のうち、波長４３０ｎｍ〜６７０ｎｍを対象としている。これは４００ｎｍ〜４３０ｎｍおよび６７０ｎｍ〜７００ｎｍは波長比視感度が低いため画像に対する影響が小さいためである。もちろん、この波長帯域が広いほうがより好ましく、この波長帯域に限定されない。これらは以下の実施例についても同様である。
【００３２】
図３（ｂ）にこの回折格子部の内部透過率の特性を示す。図２に示すように光が減衰（吸収）を受ける距離は鋸形状のブレーズ形状のために平均で格子厚ｄの１／２の厚さと、鋸形状と格子基板２ａ間の距離である格子ベース部２ａの厚さｈ2の和となる。このため、回折格子部の内部透過率Ｔは（ａ５）式となる。
【００３３】
Ｔ＝exp（−ｋ×4π／λ×（ｄ／２＋ｈ２））              （ａ５）
ただし、ｋは第１の回折格子２の材料の消衰係数である。また、第２の回折格子３の材料には内部吸収がほとんどないため無視できる。また、実施例１の第１の回折格子２の格子ベース部２ａの厚さｈ2は５μｍである。勿論、格子ベース部２ａの厚さが薄くなるほど内部透過率は高くなる。図３（ｂ）より実施例１の回折格子部１の内部透過率は可視全域（波長４３０ｎｍ〜６７０ｎｍ）の平均値で９３．２％となっている。この透過率は後で示す比較例と比較して高い値となっている。
【００３４】
図４に第１の回折格子２の第１の格子形成材料の部分分散比θｇＦとアッベ数νｄの関係を示す。通常の硝子の特性はいわゆるノーマルラインと呼ばれるライン付近に集まることが知られている。
【００３５】
本実施例の第１の回折格子２の第１の格子形成材料はフッ素アクリル系紫外線硬化樹脂にＩＴＯ微粒子を分散させることでこのノーマルラインよりもリニア分散特性を有することから高い回折効率を得ている。また同時に高分散のＴｉＯ2微粒子を分散させることでＩＴＯ微粒子の混合比（体積比率）を減らして透過率を向上させている。ＴｉＯ2微粒子はノンリニア分散特性を有しているため、第１の回折格子２の第１の格子形成材料は弱リニア分散特性となるが、可視域全域で高い回折効率を得ることができる。第１の格子形成材料に混合している材料は２種類以上の異なる微粒子であっても良い。
【００３６】
以上説明したように、密着２層ＤＯＥにおいて、第１の回折格子２の第１の格子形成材料としてリニア分散特性を有する材料を含む３種類以上の材料で構成される弱リニア分散特性を有する材料を用いている。これにより高い回折効率と高い透過率を得ている。更に格子部の格子厚を低くなるようにしている。
【００３７】
［実施例２］
実施例２は、第１の格子形成材料のＩＴＯ微粒子の混合比率を増加させている。第１の回折格子２の第１の格子形成材料に２種類の微粒子を樹脂に分散させた微粒子分散樹脂、第２の回折格子３の第２の格子形成材料３ａに１種類の微粒子を樹脂に分散させた微粒子分散樹脂を用いている。
【００３８】
より具体的には第１の格子形成材料における第１の材料はＩＴＯ微粒子（ｎｄ＝１．８２８９、νｄ＝７．４７、θｇＦ＝０．３６０）である。第２の材料はＴｉＯ2微粒子（ｎｄ＝２．１６３、νｄ＝２０．０、θｇＦ＝０．６８０）である。第３の材料はフッ素アクリル系紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．４０３０、νｄ＝６０．６、θｇＦ＝０．５５３）である。第３の材料に第１の材料が１１ｖｏｌ％、第２の材料が４ｖｏｌ％混合している。これら３種類の材料が混合した微粒子分散材料（ｎｄ１＝１．５１５、νｄ１＝２１．６、θｇＦ１＝０．４５８）である。第２の回折格子３の材料は高い回折効率が得られるように選択され、アクリル系紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．５２４１、νｄ＝５１．６、θｇＦ＝０．５６３）を用いている。この樹脂にＺｒＯ2微粒子（ｎｄ＝１．９１０、νｄ＝４５．１、θｇＦ＝０．６１２）を１０ｖｏｌ％分散させた微粒子分散材料（ｎｄ２＝１．５６７０、νｄ２＝４９．９、θｇＦ２＝０．５７４）である。格子厚は第１の回折格子２、第２の回折格子３ともに１１．０８μｍで格子面が密着された密着２層ＤＯＥで、設計次数は＋１次である。
【００３９】
図５（ａ）にこの回折格子部の設計次数（＋１次）での回折効率および０次と＋２次の回折効率の特性を示す。入射角度は格子ベース面に対して垂直の場合である。設計次数の回折効率は可視全域（波長４３０ｎｍ〜６７０ｎｍ）で９９．６％以上得られており、不要次数のフレア光も可視全域で０．２％以下となっている。図５（ｂ）にこの回折格子部の内部透過率の特性を示す。実施例２の第１の回折格子２の格子ベース部２ａの厚さｈ2は５μｍである。図５（ｂ）より実施例２の回折格子部の内部透過率は可視全域（波長４３０ｎｍ〜６７０ｎｍ）の平均値で８８．６％となっている。この透過率は後で示す比較例と比較して高い値となっている。
【００４０】
［比較例１］
本発明の回折格子部の回折効率の違いをより明らかにするために比較例１を示す。第１の回折格子２の材料２ａにＩＴＯ微粒子のみを樹脂に分散させた微粒子分散樹脂を用いた構成で、実施例１とほぼ同じ格子厚と実施例２と微粒子混合比率が同じ微粒子分散樹脂を用いた構成である。より具体的には第１の格子形成材料における第１の材料はＩＴＯ微粒子（ｎｄ＝１．８２８９、νｄ＝７．４７、θｇＦ＝０．３６０）である。第２の材料はフッ素アクリル系紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．４０３０、νｄ＝６０．６、θｇＦ＝０．５５３）である。第２の材料に第１の材料が１１ｖｏｌ％％混合した微粒子分散材料（ｎｄ１＝１．４８０、νｄ１＝２２.６、θｇＦ１＝０．４２３）である。第２の回折格子３の第２の格子形成材料は高い回折効率が得られるように選択され、アクリル系紫外線硬化樹脂（ｎｄ２＝１．５２４１、νｄ２＝５１．６、θｇＦ２＝０．５６３）である。格子厚は第１の回折格子２、第２の回折格子３ともに１２.８２μｍで格子面が密着された密着２層ＤＯＥで、設計次数は＋１次である。
【００４１】
図１２（ａ）にこの回折格子部の設計次数（＋１次）での回折効率および０次と＋２次の回折効率の特性を示す。入射角度は格子ベース面に対して垂直の場合である。設計次数の回折効率は可視全域（波長４３０ｎｍ〜６７０ｎｍ）で９９．６％以上得られており、不要次数のフレア光も可視全域で０．２％以下となっている。図１２（ｂ）にこの回折格子部の内部透過率の特性を示す。比較例１の第１の回折格子２の格子ベース部の厚さｈ2は５μｍである。図１２（ｂ）より比較例１の回折格子部の内部透過率は可視全域（波長４３０ｎｍ〜６７０ｎｍ）の平均値で８７．８％となっている。
【００４２】
比較例１は実施例１と格子厚がほぼ同じだが、ＩＴＯ微粒子の混合比率が高いために内部透過率が低くなっている。また、実施例２とＩＴＯ微粒子の混合比率が同じために、設計次数の回折効率は実施例２と比較してほぼ同等だが、格子厚が実施例２と比較して高いため、内部透過率が若干低く、透過率を要求される光学系に適用する場合には好ましくない。また、格子厚が高いために回折効率の角度特性が低下し、入射角度分布が広い光学系に適用する場合には好ましくない。
【００４３】
［比較例２］
本発明の回折格子部の回折効率の違いをより明らかにするために比較例２を示す。比較例２は実施例２とほぼ同じ格子厚で、第１の回折格子２の第１の格子形成材料にＩＴＯ微粒子のみを樹脂に分散させた微粒子分散樹脂を用いた構成である。
【００４４】
より具体的には第１の格子形成材料における第１の材料はＩＴＯ微粒子（ｎｄ＝１．８２８９、νｄ＝７．４７、θｇＦ＝０．３６０）である。第２の材料はフッ素アクリル系紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．４０３０、νｄ＝６０．６、θｇＦ＝０．５５３）である。第２の材料に第１の材料が１５ｖｏｌ％％混合した微粒子分散材料（ｎｄ１＝１．４９７、νｄ１＝１９.０、θｇＦ１＝０．４１０）である。第２の回折格子３の第２の格子形成材料は高い回折効率が得られるように選択され、アクリル系紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．５２４１、νｄ＝５１．６、θｇＦ＝０．５６３）を用いている。これにＺｒＯ2微粒子（ｎｄ＝１．９１０、νｄ＝４５．１、θｇＦ＝０．６１２）を６ｖｏｌ％分散させた微粒子分散材料（ｎｄ２＝１．５５００、νｄ２＝５０.５１、θｇＦ２＝０．５７０）である。格子厚は第１の回折格子２、第２の回折格子３ともに１１．０２μｍで格子面が密着された密着２層ＤＯＥで、設計次数は＋１次である。
【００４５】
図１３（ａ）にこの回折格子部の設計次数（＋１次）での回折効率および０次と＋２次の回折効率の特性を示す。入射角度は格子ベース面に対して垂直の場合である。設計次数の回折効率は可視全域（波長４３０ｎｍ〜６７０ｎｍ）で９９．９％以上得られており、不要次数のフレア光も可視全域で０．１％以下となっている。図１３（ｂ）にこの回折格子部の内部透過率の特性を示す。比較例２の第１の回折格子２の格子ベース部の厚さｈ2は５μｍである。図１３（ｂ）より比較例２の回折格子部の内部透過率は可視全域（波長４３０ｎｍ〜６７０ｎｍ）の平均値で８４．９％となっている。このように、比較例２は実施例２と格子厚がほぼ同等だが、ＩＴＯ微粒子の混合比率が高いために、内部透過率が低く、高い透過率を要求される光学系に適用する場合には好ましくない。
【００４６】
以上、説明したように、第１の回折格子２の第１の格子形成材料としてリニア分散特性を有する材料を含む３種類以上の材料で構成される弱リニア分散特性を有する材料を用いている。これにより高い回折効率と高い透過率を有し、かつ低い格子厚の格子部より成る回折格子部を得ることができる。また、各実施例において更に好ましくは以下の条件のうち１以上を満足することにより高い回折効率と高い透過率を有し、かつ低い格子厚の格子部より成る回折格子部が得られる。
【００４７】
ｎｄ１＜ｎｄ２                                 （１）
νｄ１＜νｄ２                                 （２）
θｇＦ１＜ (−1.665E-07×νｄ１3＋5.213E-05×νｄ１2−5.656E-03×νｄ１＋0.715)                                           （３）
θｇＦ１＞ (＋4.80E-03×νｄ１＋0.33)          （４）
θｇＦ１＞ (−4.73E-02×νｄ１＋1.31)          （５）
ただし、νｄ１、θｇＦ１はそれぞれ第１の回折格子の材料のアッベ数、部分分散比である。
【００４８】
図４には条件式（３）〜（５）と後述する条件式（６）〜（１０）に関する曲線と各実施例、各比較例の部分分散比θｇＦとアッベ数νｄ等の関係のグラフを示している。条件式（１）、（２）を満足しないと、低屈折率高分散材料と高屈折率低分散材料を用いた密着２層ＤＯＥの素子構成にならない。条件式（３）を満足しないと第１の回折格子の材料がリニア分散特性でなくなるため、密着２層ＤＯＥの回折効率が可視域全域で９９％以上得ることが困難になるため好ましくない。
【００４９】
条件式（４）、（５）を満足しないとＩＴＯ微粒子の混合比率が高くなってしまい、内部透過率が下がってしまう。また、ＩＴＯ微粒子の混合比率が高くなると材料の粘度が上がり金型を用いて精度良く成形することが困難になる。また、低屈折率高分散材料のアッベ数が３０以上になると可視域全域で９９％以上の高い回折効率を得るために第２の回折格子の第２の格子形成材料を選択すると格子厚が１５μｍ以上に高くなってしまう。格子厚が高くなると内部透過率が下がることと回折効率の角度特性が低下するために、適用できる光学系が限定されてしまうため、好ましくない。また、本発明に係る回折格子部において、第１の回折格子の第１の格子形成材料として以下の式を満足する第１の材料と第２の材料を含む３種類以上の材料が混合された材料を用いるのが良い。これによれば高い回折効率と高い透過率を有し、かつ低い格子厚の格子部で回折格子部が得られる。
【００５０】
ｋ１１＞ ０．００１                               （６）
θｇＦ１１＜ (−1.665E-07×νｄ１１3＋5.213E-05×νｄ１１2−5.656E-03×νｄ１１＋0.500)                                          （７）
νｄ１２＜３０                                    （８）
θｇＦ１２＞ (−1.665E-07×νｄ１２3＋5.213E-05×νｄ１２2−5.656E-03×νｄ１２＋0.715)                                          （９）
ただし、ｋ１１は第１の材料のｄ線における消衰係数、νｄ１１は第１の材料のアッベ数、θｇＦ１１第１の材料の部分分散比、νｄ１２は第２の材料のアッベ数、θｇＦ１２は第２の材料の部分分散比である。
【００５１】
条件式（６）、（７）を満足しないと第１の格子形成材料の吸収は少なくなるが、リニア特性が得られないため、可視域全域で９９％以上の回折効率を得ることが困難になり、好ましくない。条件式（８）を満足しないと、第１の回折格子の第１の格子形成材料の分散が下がり、格子部の格子厚が高くなってしまう。格子部の格子厚を低くするためにはリニア分散特性の材料の混合比率を増加させることになり、内部透過率が下がる。このため、条件式（９）を満足しないと条件式（７）を満足する強いリニア分散特性と混合された場合に、弱リニア分散特性が得られなくなるため、可視域全域で９９％以上の回折効率を得ることが困難になり、好ましくない。
【００５２】
また、３種類以上の材料が混合された第１の回折格子の第１の格子形成材料において、第２の材料と異なる第３の材料は条件式（９）と同様の条件式（１０）を満たしていれば特に限定されない。第１の回折格子の第１の格子形成材料を低屈折率側にしたければ、第３の材料に低屈折率材料を、高屈折率側にしたければ、高屈折率材料を用いることで、任意に選択することができる。
【００５３】
即ち第３の材料のアッベ数と部分分散比を各々νｄ１３、θｇＦ１３とするとき
θｇＦ１３＞ (−1.665E-07×νｄ１３3＋5.213E-05×νｄ１３2−5.656E-03×νｄ１３＋0.715)                                          （１０）
また、本発明に係る回折格子部は本実施例の格子形成材料には限定されない。格子形成材料としてはＴｉＯ2微粒子を分散させた樹脂材料を用いているが、これには制限されない。また、各実施例で用いる微粒子材料としては、酸化物、金属、セラミックス、複合物、混合物のいずれかの無機微粒子材料が広く用いられ、限定されない。また、樹脂材料としてフッ素系の紫外線硬化樹脂を用いているが、アクリル系、フッ素系、ビニル系、エポキシ系、チオ系のいずれかの有機樹脂が挙げられ、これらの樹脂材料に限定されない。ただ、ＩＴＯ微粒子と共に混合し、低屈折率高分散材料として使用するために、アッベ数３０以下が好ましい。
【００５４】
アッベ数３０以上の材料を用いると第１の回折格子の格子形成材料の分散が下がり、格子厚が高くなってしまう、またはITO微粒子の分散量を増加させることとなるため、好ましくない。このため、ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5、ＺｎＯ、ＳｒＴｉＯ3、ＢａＴｉＯ3等の無機酸化物で構成される微粒子を用いることが有効である。尚、これらの材料は３種類以上の材料より回折格子を形成するとき適宜用いることができる。また、実施例１、２では第１の回折格子の格子形成材料に３種類の材料を混合させているが、４種類以上の材料を用いても良く、これに限定されない。
【００５５】
第２の回折格子の第２の格子形成材料については、低屈折率高分散材料がノーマルラインよりリニア特性と有しているため、以下の式を満足する材料を選択することによって、可視域全域で高い回折効率を得ることができる。
(-1.665E-07×νｄ２3+5.213E-05×νｄ２2-5.656E-03×νｄ２+0.715)＜θｇＦ２
＜ (-1.665E-07×νｄ２3+5.213E-05×νｄ２2-5.656E-03×νｄ２+0.765)
（１１）
また、設計次数であるｍ次の回折光に対する各回折格子の光学光路長の差（ａ４）式を設計次数と波長の積で割った式が以下を満足することによって、可視域全域で高い回折効率を得ることができる。ここで第１、第２の格子形成材料の波長λにおける屈折率をｎ１（λ）、ｎ２（λ）とする。
【００５６】
０．９４５≦（ｎ２（λ）−ｎ１（λ））ｄ／ｍλ≦１.０５５    （１２）
ただし、λは可視域の任意の波長である。この範囲を超えると設計次数の回折効率が低下し、不要回折効率が増加してしまうため、好ましくない。
【００５７】
また、本実施例では第２の回折格子の第２の格子形成材料としてＺｒＯ2微粒子を分散させた樹脂材料を用いているが、これには制限されない。例えば、樹脂材料等の有機材料、ガラス材料、光学結晶材料、セラミックス材料等を用いても良く、これに限定されない。また、微粒子を分散させる微粒子材料としては、酸化物、金属、セラミックス、複合物、混合物のいずれかの無機微粒子材料が挙げられ、微粒子材料に限定されない。いずれの材料でも（１１）式を満たし、第１の回折格子の第１の格子形成材料と組み合わせて条件式（１２）を満たすように選択すれば高い回折効率が得られる。
【００５８】
また、微粒子分散材料における微粒子の混合比率（体積比率）の合計は３ｖｏｌ％以上、２５ｖｏｌ％以下（３％以上２５％以下）が好ましい。混合比率が３ｖｏｌ％未満では屈折率の制御が困難となり、２５ｖｏｌ％を超えると微粒子分散材料の粘度が増加して、金型による成形が困難となるためである。また、ＩＴＯ微粒子の混合比率は３ｖｏｌ％以上、１５ｖｏｌ％以下（３％以上１５％以下）が好ましい。混合比率が３ｖｏｌ％未満では屈折率の制御が困難となることと第１の回折格子の第１の格子形成材料のリニア分散特性が得られなくなるためである。１５ｖｏｌ％を超えると高い透過率を要求される光学系に適用する場合には内部透過率の低下が無視できなくなるためである。
【００５９】
また、微粒子材料の平均粒子径は、回折格子部への入射光の波長（使用波長又は設計波長）の１／４以下であることが好ましい。これよりも粒子径が大きくなると、微粒子材料を樹脂材料に混合した際に、レイリー散乱が大きくなる可能性が生じる。また、各実施例では設計次数を＋１次にしているが、設計次数を＋１次以外であっても同様の効果が得られるため、設計次数に限定されない。また、回折格子部の製造方法は特に限定されないが金型を用いて成形するとブレーズ形状を精度高く製造できるために好ましい。
【００６０】
具体的には第１の回折格子を金型を用いて成形し、第２の回折格子を構成する材料で格子部を埋めて接着することで製造することができる。逆に、第２の回折格子を成形し、第１の回折格子を格子部を埋めて接着してもよい。また、第１の回折格子と第２の回折格子をそれぞれ製造し、精度良く密着させる方法を用いても良い。各実施例はこれらの製造方法に限定されない。
【００６１】
第１の回折格子２の格子ベース部２ａの厚さｈ2は１０μｍ以下であることが好ましい。また、第１、第２の回折格子の格子部の格子厚の半分ｄ／２と格子ベース部２ａの厚さｈ２の和である格子部の平均高さ（格子厚）は１５μｍ以下であることが好ましい。特に第１の回折格子の格子部の平均高さを１５μｍ以下することが好ましい。この厚さ以上になると内部透過率が減少し、高い透過率を要求される光学系に適用する場合に問題になるためである。また、格子ベース２ａの厚さが薄くなるほど内部透過率は高くなるので好ましいが、金型を用いて第１の回折格子２を製造する際に、不均一に収縮するためにブレーズ形状の精度が低下するため、格子ベース２ａの厚さは１μｍ以上であることが好ましい。
【００６２】
また、第１の回折格子２の第１の格子形成材料と第２の回折格子３の第２の格子形成材料の界面に薄膜層を設けても構わなく、これに限定されない。第１の回折格子２の第１の格子形成材料と第２の回折格子３の第２の格子形成材料の界面密着性が良好でない場合は、第１の回折格子２と第２の回折格子３の界面に接着層を設けることにより、密着性を向上させることができる。また、第１の回折格子２の第１の格子形成材料と第２の回折格子３の第２の格子形成材料の屈折率差が大きい場合は、第１の回折格子２と第２の回折格子３の界面に反射防止層を設けることにより、界面反射率を低減させることができる。また、回折格子部１とその反対の面は平面に限らず球面や非球面であっても良い。この場合、回折格子と同時に球面や非球面形状も同時に成形できるため、製造が容易になる。
【００６３】
［実施例３］
実施例３は、第１の回折格子２の第１の格子形成材料に２種類の微粒子を樹脂に分散させた微粒子分散樹脂、第２の回折格子３の第２の格子形成材料に１種類の微粒子を樹脂に分散させた微粒子分散樹脂を用いている。そして格子部の格子厚を低くした実施例である。より具体的には第１の格子形成材料における第１の材料はＩＴＯ微粒子（ｎｄ＝１．８２８９、νｄ＝７．４７、θｇＦ＝０．３６０）である。第２の材料はＴｉＯ2微粒子（ｎｄ＝２．１６３、νｄ＝２０．０、θｇＦ＝０．６８０）である。第３の材料はフッ素アクリル系紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．４０３０、νｄ＝６０．６、θｇＦ＝０．５５３）である。第３の材料に第１の材料が１１ｖｏｌ％、第２の材料が１０ｖｏｌ％混合している。これらの３種類の材料が混合した微粒子分散材料（ｎｄ１＝１．５６６０、νｄ１＝２０．６、θｇＦ１＝０．４９６）である。
【００６４】
第２の回折格子３の第２の格子形成材料は高い回折効率が得られるように選択され、アクリル系紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．５２４１、νｄ＝５１．６、θｇＦ＝０．５６３）を用いている。これにＺｒＯ2微粒子（ｎｄ＝１．９１０、νｄ＝４５．１、θｇＦ＝０．６１２）を２５ｖｏｌ％分散させた微粒子分散材料（ｎｄ２＝１．６２９１、νｄ２＝４８．２、θｇＦ２＝０．５８５）である。格子厚は第１の回折格子２、第２の回折格子３ともに９．２５μｍで格子面が密着された密着２層ＤＯＥで、設計次数は＋１次である。
【００６５】
図６（ａ）にこの回折格子部の設計次数（＋１次）での回折効率０次と＋２次の回折効率の特性を示す。入射角度は格子ベース面に対して垂直の場合である。設計次数の回折効率は可視全域（波長４３０ｎｍ〜６７０ｎｍ）で９９．５％以上得られており、不要次数のフレア光も可視全域で０．２％以下となっている。図６（ｂ）にこの回折格子部の内部透過率の特性を示す。実施例３の第１の回折格子２の格子ベース部の厚さｈ2は５μｍである。図６（ｂ）より実施例３の回折格子部の内部透過率は可視全域（波長４３０ｎｍ〜６７０ｎｍ）の平均値で８９．６％となっている。このように、実施例３は比較例１と同じITO微粒子分散量だが、ＴｉＯ2微粒子も分散させているために格子厚が低い回折格子部を得ることができる。
【００６６】
［実施例４］
実施例４は、第１の回折格子２の第１の格子形成材料に２種類の樹脂に１種類の微粒子を分散させた微粒子分散樹脂、第２の回折格子３の第２の格子形成材料に１種類の微粒子を樹脂に分散させた微粒子分散樹脂を用いている。そして格子部の格子厚を低くした実施例である。より具体的には第１の格子形成材料における第１の材料はＩＴＯ微粒子（ｎｄ＝１．８２８９、νｄ＝７．４７、θｇＦ＝０．３６０）である。第２の材料はフッ素アクリル系紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．４０３０、νｄ＝６０．６、θｇＦ＝０．５５３）である。第３の材料はチオアクリル系紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．６３５６、νｄ＝２２．７、θｇＦ＝０．６８９）である。第２の材料を５４ｖｏｌ％、第３の材料を３５ｖｏｌ％、第１の材料を１１ｖｏｌ％混合している。これら３種類の材料を有する微粒子分散材料（ｎｄ１＝１．５５２２、νｄ１＝１９．５、θｇＦ１＝０．５０９）である。
【００６７】
第２の回折格子３の第２の格子形成材料は高い回折効率が得られるように選択され、アクリル系紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．５２４１、νｄ＝５１．６、θｇＦ＝０．５６３）を用いている。これにＺｒＯ2微粒子（ｎｄ＝１．９１０、νｄ＝４５．１、θｇＦ＝０．６１２）を２３ｖｏｌ％分散させた微粒子分散材料（ｎｄ２＝１．６２０９、νｄ２＝４８．４、θｇＦ２＝０．５８４）である。格子部の格子厚は第１の回折格子２、第２の回折格子３ともに８．５２μｍで格子面が密着された密着２層ＤＯＥで、設計次数は＋１次である。
【００６８】
図７（ａ）にこの回折格子部の設計次数（＋１次）での回折効率および０次と＋２次の回折効率の特性を示す。入射角度は格子ベース面に対して垂直の場合である。設計次数の回折効率は可視全域（波長４３０ｎｍ〜６７０ｎｍ）で９９．５％以上得られており、不要次数のフレア光も可視全域で０．２％以下となっている。図７（ｂ）にこの回折格子部の内部透過率の特性を示す。実施例４の回折格子２の格子ベース部２ａの厚さｈ2は５μｍである。図７（ｂ）より実施例４の回折格子部の内部透過率は可視全域（波長４３０ｎｍ〜６７０ｎｍ）の平均値で８９．９％となっている。
【００６９】
実施例４は実施例3と同じく比較例１と同じＩＴＯ微粒子を分量だが、低屈折率低分散のフッ素アクリル系紫外線硬化樹脂と高屈折率高分散のチオアクリル系紫外線硬化樹脂を混合させた樹脂を用いている。これにより、高い回折効率と高い透過率を有し、かつ低い格子厚の格子部を可能にする回折格子部を得ることができる。図４に本発明に係る低屈折率高分散材料の分散比θｇＦとアッベ数νｄの関係を示す。曲線は通常の硝材における、いわゆるノーマルラインであり、通常の硝子の特性はこのライン付近に集まることが知られている。
【００７０】
本実施例の第１の回折格子２の第１の格子形成材料はフッ素アクリル系紫外線硬化樹脂にＩＴＯ微粒子を分散させることでこのノーマルラインよりもリニア特性を有することから高い回折効率を得ている。そして同時に高分散のチオアクリル系紫外線硬化樹脂を混合させることでＩＴＯ微粒子の混合比率を減らして透過率を向上させることができる。チオアクリル系紫外線硬化樹脂はノンリニア分散特性を有しているため、本実施例の第１の回折格子２の第１の格子形成材料は弱リニア分散特性となるが、可視域全域で高い回折効率を得ることができる。
【００７１】
実施例１〜３は２種類の微粒子を分散させているが、その場合、微粒子の分散比率の合計（合計体積比率）は２５％以下にすることが製造上好ましく、高分散微粒子の分散量も制限がある。これに対して、実施例４のように２種類の樹脂にＩＴＯ微粒子を分散する場合にはＩＴＯ微粒子の分散量のみに制限があり、２種類の樹脂の混合比率に制限はないため、材料の選択性が広がる。なお、ノンリニア分散特性を有する樹脂に限定されない。チオアクリル系紫外線硬化樹脂のようなノンリニア材料でなくてもＩＴＯ微粒子のリニア特性を弱リニア側にシフトできるため、この材料に限定されない。
【００７２】
また、樹脂材料としてアクリル系、フッ素系、ビニル系、エポキシ系、チオ系のいずれかの有機樹脂が挙げられ、これらの樹脂材料に限定されない。尚、これらの材料は３種類以上の材料で回折格子を形成するとき適宜用いることができる。ただＩＴＯ微粒子と共に混ぜてＩＴＯ微粒子の混合比率を減らし、低屈折率高分散材料として使用するために、アッベ数３０以下の樹脂を用いるのが良い。もし、アッベ数３０以下の材料を用いないと第１の回折格子の第１の格子形成材料の分散が下がり、格子部の格子厚が高くなってしまう。格子厚を低くするためにはＩＴＯ微粒子の混合比率を増加させることとなるため、このましくない。また、ここで示している2種類の樹脂とは主に屈折率に影響を及ぼす樹脂成分を示している。開始材や分散材等の樹脂成分が屈折率に影響する場合はそれらを考慮して材料混合比率を設定することができる。
【００７３】
［実施例５］
実施例５は、実施例４と同じく第１の回折格子２の第１の格子形成材料に２種類の樹脂に１種類の微粒子を分散させた微粒子分散樹脂、第２の回折格子３の第２の格子形成材料に１種類の微粒子を樹脂に分散させた微粒子分散樹脂を用いている。そして回折格子部の透過率を高くした実施例である。より具体的には第１の格子形成材料における第１の材料はＩＴＯ微粒子（ｎｄ＝１．８２８９、νｄ＝７．４７、θｇＦ＝０．３６０）である。第２の材料はフッ素アクリル系紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．４０３０、νｄ＝６０．６、θｇＦ＝０．５５３）である。第３の材料はチオアクリル系紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．６３５６、νｄ＝２２．７、θｇＦ＝０．６８９）である。第２の材料を４３ｖｏｌ％、第３の材料を５１ｖｏｌ％、第１の材料を６ｖｏｌ％混合している。これら３種類の材料を有する微粒子分散材料（ｎｄ１＝１．５６３６、νｄ１＝２２．１、θｇＦ１＝０．５７７）である。
【００７４】
第２の回折格子３の第２の格子形成材料は高い回折効率が得られるように選択され、アクリル系紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．５２４１、νｄ＝５１．６、θｇＦ＝０．５６３）を用いている。これにＺｒＯ2微粒子（ｎｄ＝１．９１０、νｄ＝４５．１、θｇＦ＝０．６１２）を２３ｖｏｌ％分散させた微粒子分散材料（ｎｄ２＝１．６２０９、νｄ２＝４８．４、θｇＦ２＝０．５８４）である。格子部の格子厚は第１の回折格子２、第２の回折格子３ともに１０．３３μｍで格子面が密着された密着２層ＤＯＥで、設計次数は＋１次である。
【００７５】
図８（ａ）にこの回折格子部の設計次数（＋１次）での回折効率および０次と＋２次の回折効率の特性を示す。入射角度は格子ベース面に対して垂直の場合である。設計次数の回折効率は可視全域（波長４３０ｎｍ〜６７０ｎｍ）で９９．５％以上得られており、不要次数のフレア光も可視全域で０．２％以下となっている。図８（ｂ）にこの回折格子部の内部透過率の特性を示す。実施例５の回折格子２の格子ベース部２ａの厚さｈ２は５μｍである。図８（ｂ）より実施例５の回折格子部の内部透過率は可視全域（波長４３０ｎｍ〜６７０ｎｍ）の平均値で９３．９％となっている。
【００７６】
実施例５は実施例１と同じＩＴＯ微粒子を混合比率だが、低屈折率低分散のフッ素アクリル系紫外線硬化樹脂と高屈折率高分散のチオアクリル系紫外線硬化樹脂を混合させた樹脂を用いている。これにより、さらに実施例１に対して格子部の格子厚が低く、内部透過率が高い回折光学素子を得ることができる。
【００７７】
［実施例６］
実施例６は、第１の回折格子２の第１の格子形成材料に２種類の微粒子を樹脂に分散させた微粒子分散樹脂、第２の回折格子３の第２の格子形成材料に光学ガラスを用いた実施例である。より具体的には第１の格子形成材料における第１の材料はＩＴＯ微粒子（ｎｄ＝１．８２８９、νｄ＝７．４７、θｇＦ＝０．３６０）である。第２の材料はＴｉＯ2微粒子（ｎｄ＝２．１６３、νｄ＝２０．０、θｇＦ＝０．６８０）である。第３の材料はチオアクリル系紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．６３５６、νｄ＝２２．７、θｇＦ＝０．６８９）である。第３の材料に第１の材料が１０ｖｏｌ％、第２の材料が１０ｖｏｌ％混合している。これら３種類の材料を有する微粒子分散材料（ｎｄ１＝１．７２５３、νｄ１＝１７．７、θｇＦ１＝０．５９３）である。
【００７８】
第２の回折格子３の第２の格子形成材料は高い回折効率が得られるように選択された光学ガラス（ｎｄ２＝１．８１００、νｄ２＝４１．０、θｇＦ２＝０．５６７）である。格子部の格子厚は第１の回折格子２、第２の回折格子３ともに６．２７μｍで格子面が密着された密着２層ＤＯＥで、設計次数は＋１次である。
【００７９】
図９（ａ）にこの回折格子部の設計次数（＋１次）での回折効率および０次と＋２次の回折効率の特性を示す。入射角度は格子ベース面に対して垂直の場合である。設計次数の回折効率は可視全域（波長４３０ｎｍ〜６７０ｎｍ）で９９．４％以上得られており、不要次数のフレア光も可視全域で０．２％以下となっている。図９（ｂ）にこの回折格子部の内部透過率の特性を示す。実施例６の回折格子２の格子ベース部２ａの厚さｈ２は５μｍである。図９（ｂ）より実施例３の回折格子部の内部透過率は可視全域（波長４３０ｎｍ〜６７０ｎｍ）の平均値で９１．９％となっている。この透過率は後で示す比較例と比較して高い値となっている。
【００８０】
［比較例３］
比較例３は実施例６と同じ光学ガラスを用いた第２の回折格子の材料で、第１の回折格子２を形成する第１の格子形成材料にＩＴＯ微粒子のみを樹脂に分散させた微粒子分散樹脂を用いた構成である。より具体的には第１の回折格子２の第１の格子形成材料はチオアクリル系紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．６３５６、νｄ＝２２．７、θｇＦ＝０．６８９）を用いている。これにＩＴＯ微粒子（ｎｄ＝１．８２８９、νｄ＝７．４７、θｇＦ＝０．３６０）を２５ｖｏｌ％分散させた微粒子分散材料（ｎｄ１＝１．６８６０、νｄ１＝１３．６、θｇＦ１＝０．４９５）である。第２の回折格子３の第２の格子形成材料は高い回折効率が得られるように選択された光学ガラス（ｎｄ２＝１．８１００、νｄ２＝４１．０、θｇＦ２＝０．５６７）である。格子部の格子厚は第１の回折格子２、第２の回折格子３ともに４．７４μｍで格子面が密着された密着２層ＤＯＥで、設計次数は＋１次である。
【００８１】
図１４（ａ）にこの回折格子部の設計次数（＋１次）での回折効率および０次と＋２次の回折効率の特性を示す。入射角度は格子ベース面に対して垂直の場合である。設計次数の回折効率は可視全域（波長４３０ｎｍ〜６７０ｎｍ）で９９．８％以上得られており、不要次数のフレア光も可視全域で０．１％以下となっている。図１４（ｂ）にこの回折格子部の内部透過率の特性を示す。比較例３の第１の回折格子２の格子ベース部２ａの厚さｈ2は５μｍである。図１４（ｂ）より比較例３の回折格子部の内部透過率は可視全域（波長４３０ｎｍ〜６７０ｎｍ）の平均値で８２．６％となっている。
【００８２】
比較例３は実施例６と同じ光学ガラスを用いた第２の回折格子３の第２の格子形成材料だが、ＩＴＯ微粒子の混合比率が高いために、実施例６と比較して高いが内部透過率が低く、高い透過率を要求される光学系に適用する場合には好ましくない。
【００８３】
［実施例７］
図１０は本発明の回折光学素子を用いた光学系（撮影レンズ）の実施例７の要部断面図である。図１０において、１０１は撮影レンズで、内部に絞り（開口絞り）４０と本発明の前述した各実施例の回折光学素子１０を有している。４１は結像面であるフィルムまたはＣＣＤが配置されている。回折光学素子１０は、レンズ機能を有する光学素子であり、撮影レンズ１０１の色収差を補正している。本発明の回折光学素子１０を適用すれば、高い回折効率と高い透過率と低格子厚を可能しているので、フレアが少なく透過率も高い高性能な撮影レンズが得られる。図１０ではレンズ２０とレンズ３０より成る接合レンズの貼り合せ面に回折光学素子１を設けている。
【００８４】
本実施例は、これに限定するものではなく、レンズ表面に設けても良いし、撮影レンズ内に複数、回折光学素子を使用しても良い。また、本実施例では、カメラの撮影レンズの場合を示したが、これに限定するものではなく、ビデオカメラの撮影レンズ、事務機のイメージスキャナーや、デジタル複写機のリーダーレンズなど広波長域で使用される光学系に使用しても同様の効果が得られる。
【００８５】
［実施例８］
図１１は本発明の回折光学素子を用いた望遠鏡や双眼鏡等の観察光学系の実施例８の要部断面図である。図１１において１０は回折光学素子より成る対物レンズ、１０４は像を正立させるための像反転手段としてのプリズム、１０５は接眼レンズ、１０６は瞳面である。回折光学素子１０は対物レンズの結像面４１での色収差等を補正する目的で使用されている。本発明の回折光学素子を適用すれば、高い回折効率と高い透過率と低格子厚を可能しているので、フレアが少なく透過率も高い高性能な対物レンズが得られる。
【００８６】
本実施例では、対物レンズ１に回折光学素子１０を形成した場合を示したが、これに限定するものではなく、プリズム表面や接眼レンズ内の位置であっても同様の効果が得られる。結像面４１より物体側に設けると、対物レンズのみでの色収差低減効果があるため、肉眼の観察系の場合すくなくとも対物レンズ側に設けることが望ましい。また本実施例では、双眼鏡の場合を示したが、これに限定するものではなく地上望遠鏡や天体観測用望遠鏡などであってもよく、またレンズシャッターカメラやビデオカメラなどの光学式のファインダーであっても同様の効果が得られる。次に各実施例と前述した条件式（１）〜（１２）との対応関係を表−１に示す。
【００８７】
【表１】
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【符号の説明】
【００８８】
１：回折格子部    ２：第１の回折格子    ３：第２の回折格子    １０：回折光学素子
２０、３０：基板    ４０：絞り    ４１：結像面    １０１：撮影レンズ
１０４：プリズム    １０５：接眼レンズ    １０６：評価面（瞳面）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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